激光以全新的姿態問世已二十餘(yu) 年。然而,發明激光器的曆程卻鮮為(wei) 人知,至於(yu) 發明者如何從(cong) 事艱難曲折的探索,就更少人問津了。其實,每一項重大發明,都是科學家們(men) 智慧的結晶,裏麵包涵著他們(men) 的汗水和心血。自然,激光器的發明也不例外。
說得準確些,對激光的研究,隻是到了20世紀50年代末才出現一個(ge) 嶄新階段。在此之前,人們(men) 隻對無線電波和微波有較深研究。科學家們(men) 把無線電波波長縮短到十米以內(nei) ,使得世界性的通訊成為(wei) 可能,那是30年代的事情。後來,隨著速調管和空穴磁控管的發明,科學家便對厘米波的性質進行研究。二次世界大戰中,由於(yu) 射頻和光譜學的發展,輻射波和原子隻間的聯係又重新被強調。大戰期間,科學家們(men) 發明並研製了雷達(戰爭(zheng) 對雷達的製造起了推動的作用)。從(cong) 技術本身來說,雷達是電磁波向超短波、微波發展的產(chan) 物。大戰以後,科學家又開創了微波波譜學,目的是探索光譜的微波範圍並把其推廣到更短的波長。當時,哥侖(lun) 比亞(ya) 大學有一個(ge) 由湯斯(C.H.Townes)領導的輻射實驗小組,他們(men) 一直從(cong) 事電磁方麵以及毫米輻射波的研究。1951年,湯斯提出了微波激射器(Maser全稱Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的概念。經過幾年的努力,1954年湯斯和他的助手高頓(J. Cordon)、蔡格(H. Zeiger)發明了氨分子束微波激射器並使其正常運行。這為(wei) 以後激光器的誕生奠定了基礎。當時,湯斯希望微波激射器能產(chan) 生波長為(wei) 半毫米的微波,遺撼的是,激射器卻輸出波長為(wei) 1。25cm的微波。微波激射器問世以後,科學家就希望能製造輸出更短波長的激射器。湯斯認為(wei) 可將微波推到紅外區附近,甚至到可見光波段。1958年,肖洛(A.L.Schawlow)與(yu) 湯斯合作,率先發表了在可見光頻段工作的激射器的設計方案和理論計算。這又將激光研究推上了一個(ge) 新階段。
現在,人們(men) 都知道,產(chan) 生激光要具備兩(liang) 個(ge) 重要條件:一是粒子數反轉;二是諧振腔。值得注意的是,自1916年愛因斯坦提出受激輻射的概念以後,1940年前後就有人在研究氣體(ti) 放電實驗中,觀察到粒子反轉現象。按當時的實驗技術基礎,就具備建立某種類型的激光器的條件。但為(wei) 什麽(me) 沒能造出來呢?因為(wei) 沒有人,包括愛因斯坦本人沒把受激輻射,粒子數反轉,諧振腔聯係在一起加以考慮。因而也把激光器的發明推遲了若幹年。在研究激光器的過程中,應把引進諧振腔的功勞歸於(yu) 肖洛。肖洛長期從(cong) 事光譜學研究。諧振腔的結構,就是從(cong) 法——珀幹涉儀(yi) 那裏得到啟示的。正如肖洛自己所說:“我開始考慮光諧振器時,從(cong) 兩(liang) 麵彼此相向鏡麵的法——珀幹涉儀(yi) 結構著手研究,是很自然的。”實際上,幹涉儀(yi) 就是一種諧振器。肖洛在貝爾電話實驗室的七年中,積累了大量數據,於(yu) 1958年提出了有關(guan) 激光的設想。幾乎同時,許多實驗室開始研究激光器的可能材料和方法,用固體(ti) 作為(wei) 工作物質的激光器的研究工作始於(yu) 1958年。如肖洛所述:“我完全徹底地受到灌輸,使我相信,可以在氣體(ti) 中做的任何事情,在固體(ti) 中同樣可以做,且在固體(ti) 中做得更好些。因此,我開始探索、尋找固體(ti) 激光器的材料…...”的確,不到一年,在1959年9月召開的第一次國際量子電子會(hui) 議上,肖洛提出了用紅寶石作為(wei) 激光的工作物質。不久,肖洛又具體(ti) 地描述了激光器的結構:“固體(ti) 微波激射器的結構較為(wei) 簡單,實質上,它有一棒(紅寶石),它的一端可作全反射,另一端幾乎全反射,側(ce) 麵作光抽運。”遺撼的是,肖洛沒有得到足夠的光能量使粒子數反轉,因而沒獲成功。可喜的是,科學家邁曼(T.H.Maiman)巧妙地利用氙燈作光抽運,從(cong) 而獲得粒子數反轉。於(yu) 是,1960年6月,在Rochester大學,召開了一個(ge) 有關(guan) 光的相幹性的會(hui) 議,會(hui) 議上,邁曼成功地操作了一台激光器。7月份,邁曼用紅寶石製成的激光器被公布於(yu) 眾(zhong) 。至此,世界上第一台激光器宣告誕生。
激光具有單色性,相幹性等一係列極好的特性。從(cong) 誕生那天開始,人們(men) 就預言了它的美好前景。20多年來,人們(men) 製造了輸出各種不同波長的激光器,甚至是可調激光器。大功率激光器的研製成功,又開拓了新的領域。1977年出現的自由電子激光器,機製則完全不同,它的工作物質是具有極高能量的自由電子,人們(men) 可以期望通過這種激光器,實現連續大功率輸出,而且覆蓋頻率範圍可向長短兩(liang) 個(ge) 方向發展。
1960年7月18日,毛澤東(dong) 在北戴河中央工作會(hui) 議上號召:“要下決(jue) 心,搞尖端技術。”1963年12月16日,毛澤東(dong) 在聽取國務院副總理兼國家科學技術委員會(hui) 主任聶榮臻匯報十年科學技術規劃時強調指出:“死光,要組織一批人專(zhuan) 門去研究它。要有一小批人吃了飯不做別的事,專(zhuan) 門研究它。沒有成績不要緊。軍(jun) 事上除進攻武器外,要注意防禦問題的研究,也許我們(men) 將來在作戰中主要是防禦。進攻武器,比原子彈的數量我們(men) 比不贏人家。戰爭(zheng) 曆來都需要攻防兩(liang) 手,築城、挖山洞都是防嘛。”
1979年3月,鄧小平同誌在中央專(zhuan) 委會(hui) 上的講話也指出,“激光我們(men) 要加點力,花多點力量。防禦,打飛機、打坦克,將來主要靠它,肯定用得上。有一個(ge) 華裔科學家告訴我,現在美國已經試驗成用激光打衛星,已打下一個(ge) 來。將來打坦克用激光,將來空中戰爭(zheng) 是激光時代,空間激光時代。據說成本比其他武器都低。”
現在,激光應用已經遍及光學、醫學、原子能、天文、地理、海洋等領域,它標誌著新技術革命的發展。誠然,如果將激光發展的曆史與(yu) 電子學及航空發展的曆史相比,你不得不意識到現在還是激光發展的早期階段,更令人激動的美好前景將要來到
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